Seminar Talk

Seminarvortrag

Konzeption mathematischer und physikalischer Animation mit "manim"

Jan-Hendrik Müller
19.5.2022

### Meine Projekte
				* MIP Labor: "Phänomene der Medizinphysik visuell begreifbar machen."
					* Einführende Videos zu Röntgen CT, MRT & mehr.
				* Entwicklung von "manim"
				* Physikdidaktik Kurs: Montag **05.09.22** - Freitag **09.09.22**.

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				### Das Tool Manim
				* **Manim** = **Ma**thematische **Anim**ationen
				* Koppelt mathematische Formeln intuitiv an Farben und Konturen.
				* Kostenlose Open Source Software
				* Python Code-generierte Animationen
				* sehr gute Anbindung an physikalische und mathematische
				 Python Pakete 
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				Brownian Motion
				<video data-autoplay width="100%" src="assets/BrownianMotion.mp4">
				---
				Dopplereffekt
				<video data-autoplay width="100%" src="assets/Doppler.mp4">

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				Vektorfeld

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				Logarithmus

Made by [@Photon_Sphere](https://twitter.com/Photon_Sphere)

</div>
				---
				
				
				Doppelpendel

Made by [@Sam Maksimovich](https://www.youtube.com/watch?v=n7JK4Ht8k8M)

</div>
				---
				Tomographische Rückprojektion
				<div style="font-size: 20px;">

`$$ f(x,y) = \frac{1}{2} \int_{0}^{2 \pi}   \mathcal{F}_1^{-1} \big\{ P(\omega, \phi) \cdot \orange{|\omega|} \big\} \,  d\phi $$`
				
				</div>
				<video  width="100%" src="assets/FilteredBP.mp4" controls>
				---

Konvergenz  
				
				<div>
					<video data-autoplay width="190%" src="assets/Sum.mp4">
				</div>
				
				<div style="font-size: 20px; text-align: justify;position: absolute;
				left: 30px; bottom: -40px; ">

Made by [@EricESeverson](https://twitter.com/EricESeverson/status/1413208434523009024?s=20&t=9Pp-KhqjeUaJdtsG5LPCcg
				)

</div>

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				Lissajous

Made by [@PRAGYAAN](https://www.youtube.com/watch?v=kQ7A_bO0Efo)

</div>
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Schwarzraumstrahlung
				<video data-autoplay width="100%" src="assets/BlackBody.mp4">
				---

Carnot-Prozess (später im Detail)
				<video data-autoplay width="100%" src="assets/CarnotCycle.mp4">

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				### Wann ist manim geeignet?
				* Für sehr präzise Animationen
				* Iteration über Objekte
				* Zufallsparameter generieren
				* Anbindung an schon in Python implementierte Physik/Mathe Module

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				### Wann ist manim nicht geeignet?
				* interaktiv ❌ 
				* 3 D Grafiken ❌ 
				* Langsam für > 1000 Objekte
					* Keine Fluid Simulation ❌
				* Für simple Animationen (z.B. FadeIn, FadeOut) ist z.B. PowerPoint besser geeignet 
				* Berechnung bis jetzt nur auf CPU (noch nicht GPU) 
				---
				<div style="font-size: 30px;">

### Kurze Geschichte
				
				* Manim wurde 2015 angefangen von Grant Sanderson zu entwickeln, als persönliches Projekt für seinen Mathe YouTube Kanal [3blue1brown](https://youtube.com/3blue1brown).

* Basierend auf seinem Code hat sich im Mai 2020 die Community [ManimCommunity](https://github.com/ManimCommunity/manim) gegründet, mit dem Ziel manim zu dokumentieren und stetig zu verbessern.  
				* Zur Zeit gibt es 26 ehrenamtliche Core-Maintainer welche halbjährlich ein Steering Council (Lenkungsgremium) mit 3 Mitgliedern wählen.
				* Bis Heute (19.5.22) wurden 1566 Beiträge zur Codeverbesserung von 304 Mitwirkenden auf [GitHub](https://github.com/ManimCommunity/manim) eingepflegt. 
				
				</div>

Statistik

Tägliche Besuche der Dokumentationsseite: ca. 7.000
Über 12.000 monatliche Downloads
Über 10.000 ⭐️ on GitHub

### Bauen von Szenen

<img src="assets/mobjects.png">
				---
				### Mathematical Object Gallery
				<iframe width="100%" height="500" style="border:3px solid black;" src="https://kolibril13.github.io/mobject-gallery/" title="description"></iframe>

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				### First example
				
				```py
				%%manim -qm CircleToSquare
				
				class CircleToSquare(Scene):
					def construct(self):
						blue_circle = Circle(color=BLUE, fill_opacity=0.5)
						green_square = Square(color=GREEN, fill_opacity=0.8)
						self.play(Create(blue_circle))
						self.wait()
						
						self.play(Transform(blue_circle, green_square))
						self.wait()
				```
				<video width="50%" src="assets/CircleToSquare.mp4" controls>

---

### Animation

```py
				%%manim -qh Example

class Example(Scene):
					def construct(self):
						dot = Dot(color= YELLOW, radius=0.5)
						self.play(dot.animate.shift(3*RIGHT).scale(2).set_color(BLUE))
				```
				<video width="50%" src="assets/ExampleAni.mp4" controls>

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				### Alignment

Nebeneinander Positionieren, Rotieren,Spiegeln, Färben etc.

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Carnot-Prozess - Schritt für Schritt
				<video data-autoplay width="100%" src="assets/CarnotCycle.mp4">
				---

## Carnot-Prozess

* Temperatur
				* Volumen 
				* Konstanten

```py
				import numpy as np
				import matplotlib.pyplot as plt
				from scipy.constants import zero_Celsius

Tmax = zero_Celsius + 300
				Tmin = zero_Celsius + 20
				R = 8.314
				kappa = 5/3
				V1 = 1
				V2 = 2
				```
				---
				## Isotherm

`$$  p \cdot V = R \cdot T $$`
				`$$  \rightarrow p(V,T)=	\frac{R \cdot T}{V} $$`

</div>
  
				```py
				def p_isotherm(V,T):
					return (R*T)/V			
				```

---
				## Adiabatisch

`$$  p \cdot V^{5/3} = const. $$`
				`$$  \rightarrow p(V,p_0,V_0)=	\frac{p_0 \cdot V_0^{5/3}}{V^{5/3}} $$`

</div>
				
				```py
				def p_adiabatisch(V,p_start,v_start):
					return (p_start*v_start**kappa)/V**kappa
				```
				---
				<div class="r-stack">
					<img src="assets/carnot/c1.png"  class="fragment fade-out" data-fragment-index="0"  >
					<img src="assets/carnot/c2.png" class="fragment current-visible" data-fragment-index="0" >
					<img src="assets/carnot/c3.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c4.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c5.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c6.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c7.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c8.png" class="fragment current-visible">
					<img src="assets/carnot/c9.png" class="fragment current-visible">

</div>

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				<div style="font-size: 20px;">

### Kursplan

* **Tag 0** - Python selbstlern Kurs zum Auffrischen  
					* Jupyter Notebooks als Vorbereitung:   
					Funktionen, Variablen, Arrays, Pakete importieren

* **Tag 1** - Vorstellung manim - statische Szenen (Jupyter Notebooks)
				* **Tag 2** - dynamische Szenen - Updater und Klassen (Jupyter Notebooks)
				* **Tag 3** - vorgegebenes Projekt (e.g. Brownian Motion, Federpendel, Fadenpendel)
					* Gedanken über eigenes Projekt machen
				* **Tag 4** - eigenes Projekt mit Feedback von TutorInnen
				* **Tag 5** - eigenes Projekt mit Feedback von TutorInnen
				</div>
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				### Prüfungsleistung

* Kurze Animation (ca. 10 Sekunden) zu eigenem Thema
				* Animation wird als mp4 format abgegeben, zusammen mit dem generierenden Code.
				* Vlt. Motivation: Veröffentlichung auf Pheyelab Uni Göttingen? Veröffentlichung auf Wikipedia?

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### Mögliche Projekte:

* Fadenpendel
				* Zwei Gekoppelte Pendel
				* Doppelpendel
				* Federpendel
				* Gedämpftes Federpendel
				* Pendel im Vergleich mit unterschiedlicher Gravitation
				* Teilchen im Vektorfeld
				* Dopplereffekt
				* Brownian Motion 
				* Flummi mit Energieverlust beim Stoß
				* Brechungsindex
				</div>
				---
				<div style="font-size: 20px;">

### Mögliche Projekte Fortsetzung 1:

* Monte Carlo Berechnung von PI
				* harmonische Schwingungen
				* Wellen mit Dispersion
				* Drehmoment
				* Schwarzraumstrahlung
				* Kühlschrank
				* Solarzelle
				* Magnetische Hysteresekurve
				</div>
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				<div style="font-size: 20px;">

### Mögliche Projekte Fortsetzung 2:
				
				* ATP Versorgung in Zelle
				* Sound-to-Noise ratio
				* optical tweezers
				* Hall Sonde
				* Halbleiterdotierung-> Eindringtiefe
				* Feynman Diagramme: Paarerzeugung
				* kosmische Strahlung in Atmosphäre Zerfall
				* Radioaktiver Zerfall
				* Laser Funktionsweise
				* Röhrenfernseher
				* Strahlengang im Beamer
					* DLP - Strahlengang 
					* LCD - Strahlengang
				</div>

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Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

<div style="font-size: 30px;">
					<br>
					Folien sind hier erhältlich:

https://manim-content.pages.gwdg.de/physikdidaktik-talk-19-5-22/
	
				</div>